Двигатель N57TU Super расширил линейку дизельных двигателей класса большой мощности. Он задал новые стандарты динамики, расхода и мощности для рабочего объема три и более литра.
За основу был взят двигатель N57TU, который уже предлагался на рынке в вариантах N57D30O1 и N57D30T1. Для получения чрезвычайных данных мощности и крутящего момента потребовались определенные изменения и новшества.
3-литровый Tri-turbo дизельный мотор известен так же как N57D30S1 и использует три турбонагнетателя, два меньшего размера с переменной геометрией и один большего с фиксированной геометрией.
Данная версия мотор была установлена только на 5 (F10, F11) и 7 серии (F01, F02), а так же на кроссоверы X5 (E70, F15) и X6 (E71 и F16).
Изменения в моторе N57TU Super
- Механическая часть двигателя
- Новый блок-картер с резьбовым соединением головки блока цилиндров и подшипников коленчатого вала с помощью шпилек с резьбой по всей длине (принцип стяжного болта)
- Переработанный контур системы охлаждения в головке блока цилиндров с каналами охлаждающей жидкости в уплотнительной прокладке головки блока цилиндров
- Переработанная головка блока цилиндров с большими диаметрами клапанов
- Новые поршни с бронзовыми втулками
- Поршневые пальцы с покрытием DLC
- Ременный привод
- Новый демпфер в комбинации с 8-ступенчатой коробкой передач
- Система подачи масла
- Переработанная и адаптированная система подачи масла
- Система впуска
- Вновь разработанная система впуска с тремя турбонагнетателями ОГ и новыми заслонками для управления давлением наддува во всех рабочих состояниях
- Система выпуска ОГ
- Система выпуска отработавших газов, которая обеспечивает соблюдение нормы EURO 6. Новые или адаптированные датчики и исполнительные органы вследствие использования трех турбонагнетателей. Использование расположенного рядом с двигателем сажевого фильтра накопительного катализатора Nox и блокирующего нейтрализатора HS
- Система подготовки рабочей смеси
- Новая топливная система высокого давления с давлением впрыска до 2200 бар, насос высокого давления, магистраль Rail и форсунки адаптированы к более высоким давлениям
- Электрооборудование двигателя
- Новые входы и выходы для подсоединения новых датчиков и исполнительных органов
Максимальная мощность после технических нововведений увеличилась до 381 л.с., а крутящий момент до 740 Нм. Что-бы мотор выдерживал такие нагрузки, необходимо было принять новые меры безопасности, такие как как зажимной винт для головки цилиндров и коренных подшипников.
Этот двигатель устанавливается на:
Видео – двигатель BMW N57S
Параметры двигателя BMW N57S
N57D30S1 | |
Рабочий объем, см³ | 2993 |
Диаметр цилиндра/ход поршня, мм | 84/90 |
Мощность, л.с. (кВт)/об.мин | 381 (280)/4000-4400 |
Крутящий момент, Нм/об.мин | 740/2000-3000 |
Литровая мощность, л.с./литр | 127,23 |
Степень сжатия, :1 | 16,0 |
Система управления | DDE7.31 |
∅ впускного клапан, мм | 29,2 |
∅ выпускного клапан, мм | 26,0 |
Максимальный ход клапана, мм | 8,5 |
Угол изменения положения распредвала, ºКВ | 105 |
Клапан открывается, ºКВ | 140,7 |
Клапан закрывается, ºКВ | 363,9 |
Продолжительность открытого состояния клапана, ºКВ | 223,1 |
Механическая часть двигателя
Блок-картер
Алюминиевый блок-картер двигателя N57TU Super является новой разработкой на основе блок-картера двигателя N57TU. Новая конструкция потребовалась вследствие новых дополнительных точек крепления для кронштейнов опор двигателя, нового расположения выключателя индикатора давления масла и новой системы подачи масла и охлаждающей жидкости к модулю масляного фильтра. Кроме того, увеличенная мощность двигателя N57TU Super приводит к повышенным нагрузкам на блок-картер. Для соответствия этим нагрузкам была изменена геометрия детали, в результате чего увеличилась ее прочность.
Как показано на следующем рисунке, блок цилиндров имеет два отверстия (6) в перемычке и одно отверстие к рубашке охлаждения, чтобы лучше отводить тепло из области перемычки.
Еще одним новшеством является резьбовое соединение головки блока цилиндров и подшипников коленчатого вала. При этом болты крепятся не непосредственно в блоке цилиндров, а в шайбе с резьбой по всей длине, которая устанавливается в блок цилиндров сбоку. Причиной такого решения стала высокая нагрузка при растяжении, которую не выдержал бы алюминиевый блок цилиндров. Кроме того крышки коренных подшипников спечены и стали более прочными.
Блок-картер претерпел и другие изменения. Так, были усовершенствованы и переработаны каналы подвода/отвода различных жидкостей и картерных газов.
Головка блока цилиндров
Головку блока цилиндров пришлось адаптировать вследствие высокого давления сгорания и увеличенного потока газов. Теперь она изготавливается по технологии HIP. HIP – это аббревиатура «Heiß Isostatisch Pressen» (Горячее изостатическое прессование). Головка блока цилиндров изготавливается в специальных установках под высоким давлением и высокой температуре в вакууме. Высокое давление и высокая температура препятствуют образованию полостей и пор в материале и благодаря этому он приобретает свойства, как у кованых деталей.
Технология HIP дает следующие преимущества:
- высокая прочность
- большое относительное удлинение
- большой срок службы
- отсутствие пор в поверхностях
Уплотнительная прокладка головки блока цилиндров
Уплотнительная прокладка головки блока цилиндров имеет известную конструкцию в виде трехслойной прокладки из пружинной стали. В области уплотнения головки блока цилиндров используется приваренная нажимная пластина для создания давления прижима, достаточного для уплотнения. Все слои имеют покрытие, причем поверхности контакта с головкой блока цилиндров и блоком цилиндров имеют антипригарное покрытие.
Если посмотреть на уплотнительную прокладку головки блока цилиндров между слоями из пружинной стали, то видно, что в средней части имеются каналы охлаждающей жидкости.
Можно заливать только аттестованную охлаждающую жидкость. При использовании неправильных или недопущенных добавок или герметиков эти тонкие каналы могут закупориться и это может привести к повреждениям двигателя.
Кривошипно-шатунный механизм
Коленчатый вал
Коленчатый вал новый и рассчитан на высокие нагрузки двигателя N57TU Super. Коленчатый вал имеет четыре противовеса. Коренные подшипники имеют диаметр 55 мм и диаметр пальца шатуна 50 мм.
Подшипники коленчатого вала
Подшипники коленчатого вала также адаптированы к новым требованиям. Подшипники коленчатого вала имеют гальваническое покрытие и не содержат свинца, они используются, как со стороны шатунов, так и со стороны крышек.
Поршни
Поршни адаптированы к новым требованиям. Камера сгорания всегда согласуется с форсункой. Юбка поршня графитирована (2). Бобышка имеет бронзовую втулку для принятия и передачи экстремальных сил при сгорании. Через масляные форсунки в кольцевой канал в днище поршня подается масло для охлаждения днища. Смазочные отверстия (7, 8, 9) из кольцевого канала обеспечивают достаточное смазывание и охлаждение поршневого пальца.
Поршневой палец
Поршневой палец двигателя N57TU Super должен быть рассчитан на большие силы. Поэтому он имеет известное по Формуле-1 покрытие. Это специальное покрытие впервые было использовано в двигателе N45B20S и обозначается как покрытие DLC. DLC является аббревиатурой «Diamond like Carbon», что означает «карбон как алмаз» и указывает на схожие с алмазом свойства углерода. Существенным преимуществом является то, что при этом снижается трение. Поршневой палец имеет по центру толщину стенки 7,5 мм.
Шатун
Новая конструкция шатун двигателя N57TU Super выдерживает высокое давление сгорания. Так, верхняя неразъемная головка шатуна имеет диаметр 32 мм, нижняя неразъемная головка шатуна – 50 мм. В верхней головке имеется фасонное отверстие, выполненное по технологии уже известной по двигателю N57TU. Благодаря ей сила, действующая через поршневой палец, оптимально распределяется по поверхности втулки, и нагрузка на кромки уменьшается.
Шатунный подшипник
Фазы газораспределения двигателя N57TU Super во всех классах мощности аналогичны двигателю N57/N57TU. Таким образом, двигатели N57D30U0, N57D30O0, N57D30T0, N57D30O1, N57D30T1 и N57D30S1 имеют следующие фазы газораспределения.
Привод клапанов
Фазы газораспределения
Фазы газораспределения двигателя N57TU Super во всех классах мощности аналогичны двигателю N57/N57TU. Таким образом, двигатели N57D30U0, N57D30O0, N57D30T0, N57D30O1, N57D30T1 и N57D30S1 имеют следующие фазы газораспределения.
Диаметр клапана, мм | ||||
Макс. ход клапан, мм | ||||
Угол изменения положения распредвала, КВ° | ||||
Клапан открывается, КВ° | ||||
Клапан закрывается, КВ° | ||||
Продолжительность открытого состояния клапана, КВ° |
Клапаны
Двигатель N57TU Super имеет увеличенные впускные и выпускные клапаны для лучшей продувки камеры сгорания. Выпускные клапаны изготовлены из нового сплава.
Масляный картер
Уплотнение масляного картера относительно блока цилиндров осуществляется с помощью уплотнительной прокладки из листового металла и резины. Масляный картер изготовлен из алюминия и адаптирован к соответствующей модели.
Для сохранения безупречной герметичности при выполнении сервисных работ необходимо соблюдать руководство по ремонту.
Ременный привод
Расположение ременного привода и агрегатов взято от двигателей N57TU. Для двигателя N57TU Super требуется новый гаситель крутильных колебаний, который рассчитан на требования привода.
Гаситель крутильных колебаний
Гаситель крутильных колебаний по функции и конструкции идеально рассчитан на двигатель N57TU Super с автоматической коробкой передач. На рисунке позиция 6 показана, как цельная деталь. В действительности этот вязкий демпфер крутильных колебаний содержит маховик с высоким моментом инерции, помещенный в вязкую жидкость.
Система подачи масла
Масляный контур адаптирован к требованиям двигателя N57TU Super.
Каналы в картере двигателя
Модуль масляного фильтра
Модуль масляного фильтра входит в программу унификации деталей. Таким образом, начиная с двигателя N47TU этот модуль используется и на новых дизельных двигателях. Масляный модуль двигателя N57/U необходимо было адаптировать к требованиям двигателя N57D30S1. Масляный радиатор заметно выше, а базовая плата значительно больше. Также не удалось использовать фильтрующий элемент от двигателя N57TU. Вследствие большого потока масла пришлось использовать фильтрующий элемент большего размера от предшествующего двигателя N47D20. Клапаны, фильтрующий элемент, уплотнения и элементы крепления аналогичны.
Охлаждение трансмиссионного масла
На автомобилях с автоматической коробкой передач используется охлаждение трансмиссионного масла. В двигателе N57D30S1 используется тот же радиатор трансмиссионного масла (корпус термостата и жидкостно-масляный теплообменник), что и в двигателях N57D30O1 и N57D30T1. На следующем рисунке показан примерный вид конструкции. Рисунок основан на двигателе N47TU.
Перепускной клапан фильтра
При засоренном фильтре перепускной клапан обеспечивает поступление моторного масла к местам смазки двигателя. Он открывается при перепаде давлений перед и после масляного фильтра 3,5 бар ± 0,35 бар.
Термостат для трансмиссионного масла
Термостат для регулировки температуры трансмиссионного масла также интегрирован в модуль масляного фильтра. Термостат обтекается трансмиссионным маслом. При увеличении температуры масла до значения ≥ 79 °C термостат открывается и охлаждающая жидкость свободно протекает от радиатора системы охлаждения в жидкостно-масляный теплообменник для трансмиссионного масла. Одновременно термостат перекрывает охлаждающий контур от блока цилиндров через термостат подогрева трансмиссионного масла. Трансмиссионное масло охлаждается.
Обратный клапан
Обратный клапан обеспечивает заполнение маслом смазочных каналов двигателя и корпуса масляного фильтра при выключенном двигателе. Он открывает подводящий трубопровод масляного насоса при давлении 0,1 ± 0,03 бар.
Термостат подогрева трансмиссионного масла
Важным новшеством является встроенный в корпус масляного фильтра термостат для быстрого нагрева трансмиссионного масла. Термостат подогрева трансмиссионного масла закрыт при температуре охлаждающей жидкости двигателя < 80 °C. Охлаждающая жидкость не течет через жидкостно-масляный теплообменник для трансмиссионного масла.
При температуре охлаждающей жидкости двигателя ≥ 80 °C термостат подогрева трансмиссионного масла открывается и дает потоку охлаждающей жидкости свободно течь от двигателя через термостат для трансмиссионного масла. Так теплая охлаждающая жидкость нагревает трансмиссионное масло.
Преимущества для коробки передач:
- Нагрев масла избыточным теплом двигателя
- Быстрый прогрев
- Небольшие потери на трение
- Быстрее достигается мягкость переключения
Перепускной клапан теплообменника
Перепускной клапан теплообменника имеет ту же функцию, что и перепускной клапан фильтра. При увеличении давления масла вследствие засорения жидкостно-масляного теплообменника перепускной клапан открывается при давлении 3,5 ± 0,3 бар и неохлажденное смазочное масло подается к местам смазки.
Выпускной клапан
Выпускной клапан интегрирован в масляный фильтр и поэтому заменяется при замене фильтра.
Система охлаждения
Система охлаждения двигателя N57TU Super имеет более сложную конструкцию из-за появления новых деталей и функций. Также используется специальная программа прокачивания системы охлаждения.
Эта программа прокачивания необходима и на автомобилях с запорным клапаном вентиляционного трубопровода. Запорный клапан вентиляционного трубопровода в стадии прогрева закрывается, чтобы охлаждающая жидкость быстрее нагревалась в малом контуре. При прогретом до рабочей температуры двигателе запорный клапан вентиляционного трубопровода открыт. Находящаяся в расширительном бачке и соответствующих трубопроводах охлаждающая жидкость при этом также нагревается. В автомобилях M550d xDrive запорный клапан вентиляционного трубопровода не используется.
Программа прокачивания
Программа прокачивания необходима, т. к. контур охлаждающей жидкости был дополнен электрическим насосом охлаждающей жидкости и определенными компонентами.
Теперь наряду с известными процедурами вентиляции, необходимы еще другие этапы работы. Так, блок DDE должен запускать программу прокачивания. В ходе ее выполнения установленные дополнительные компоненты, как например электрический насос ОЖ, приводятся в оптимальное для вентиляции рабочее состояние. Это состояние автоматически удерживается после запуска программы прокачивания в течение определенного времени. В течение этого времени непрерывно проверяются граничные условия и программа прокачивания автоматически
прерывается в случае ошибки.
Программа прокачивания необходима, если имеется один или несколько из следующих узлов:
- запорный клапан вентиляционного трубопровода
- охлаждение наддувочного воздуха с помощью охлаждающей жидкости
- система рециркуляции отработавших газов, область низких температур
Цифровая электронная система управления дизельным двигателем непрерывно контролирует следующие условия, необходимые для правильного выполнения программы прокачивания:
- автоматическая коробка передач в положении «N» или «P»
- при механической коробке переключения передач не выжато сцепление
- двигатель работает на холостом ходу (возможны нажатия на педаль акселератора)
- скорость движения ниже 3 км/ч
- температура охлаждающей жидкости при пуске двигателя < 50 °C
Программу прокачивания можно запустить двумя способами.
- Запуск программы вентиляции через диагностику
- Запуск программы прокачивания вручную:
- включить зажигание
- полностью утопить педаль акселератора и удерживать в течение 10 секунд
- запустить двигатель в течение 30 секунд
- если двигатель не запускается в течение 30 секунд, функция отменяется
- смена контактов сбрасывает все счетчики
- возможна только одна попытка на смену контактов
После запуска функции работает счетчик (10 мин) до тех пор, пока выполняются названные выше граничные условия. По истечении этого времени или в случае нарушения названных выше граничных условий функция автоматически переключается в нормальный режим. Если программа прокачивания выполняется на автомобиле без расширенного контура охлаждающей жидкости, то это никак не влияет на какие-либо компоненты.
Новая программа прокачивания меняет прежний порядок вентиляции системы охлаждения не очень существенно. Лишь запускается дополнительная программа прокачивания.
Система впуска и система выпуска ОГ
Система впуска и система выпуска отработавших газов получили заметные изменения вследствие установки трех турбонагнетателей.
Система впуска
Система впуска двигателя N57TU Super заметно отличается от двигателя N57TU Top. В качестве единственной похожей детали можно упомянуть глушитель шума всасывания. Он расположен на двигателе сбоку. Благодаря изменению системы впуска удалось уменьшить длину каналов, несмотря на три турбонагнетателя, т. к. наддувочный воздух от охладителя теперь подается прямо к передней части двигателя через дроссельную заслонку в систему впуска. Существенным основанием для этого является высокое давление наддува, которое привело к необходимости сделать охладитель наддувочного воздуха с жидкостным охлаждением. Все детали системы впуска, которые могут вследствие наддува находится под воздействием повышенного давления, изготовлены из алюминия.
На следующем рисунке показана конструкция системы впуска.
Впускной коллектор
Впускной коллектор полностью изготовлен из алюминия, чтобы выдерживать давление наддува ок. 3 бар избыточного давления. Вихревые заслонки встроенные и изготовлены из пластмассы.
Система выпуска ОГ
На следующем рисунке показана конструкция системы выпуска отработавших газов.
Двигатель N57TU Super можно рассматривать, как доработку двигателя N57TU Top. Поэтому многие инновации и технологии известны по двигателю N57TU Top. В двигателе N57TU Super также используется известный по двигателю N57TU Top перепускной клапан ступени низкого давления для охлаждения на стороне свежего воздуха ступени низкого давления. Он имеет две ступени высокого давления, которые внутри, собственно турбина, идентичны. Трудоемкая доочистка отработавших газов с помощью накопительного катализатора NOx, блокирующего нейтрализатора HS и сажевого фильтра позволяет выполнять нормы EURO 6 для отработавших газов.
Узел нагнетателя
Узел нагнетателя имеет очень сложную конструкцию и при снятии и установке в случае ремонта требует тщательного соблюдения инструкций в руководстве по ремонту.
Функции
Ступень высокого давления 1
Ступень высокого давления 1 постоянно приводится в действие малым турбонагнетателем. Он закреплен на выпускном коллекторе сверху. Для ступени высокого давления 1 используется турбонагнетатель с переменной геометрией турбины (VNT).
Ступень высокого давления 2
Ступень высокого давления 2 приводится в действие подключаемым малым турбонагнетателем. Он закреплен на выпускном коллекторе сверху. Для ступени высокого давления 2 также используется турбонагнетатель с переменной геометрией турбины (VNT).
Ступень низкого давления
Большой турбонагнетатель включен последовательно со ступенями высокого давления и имеет перепускной клапан. Он закреплен на выпускном коллекторе снизу и дополнительно опирается на блок-картер. Ступень низкого давления, как и у двигателей N47TU Top и N57TU Top, охлаждается со стороны корпуса турбонагнетателя с помощью охлаждающей жидкости. Благодаря охлаждению корпуса турбонагнетателя удалось повысить его мощность. В корпус ступени низкого давления ввернут лямбда-зонд перед накопительным катализатором NOx.
Теплообменник наддувочного воздуха
Вследствие высокого давления наддува наддувочный воздух при сжатии сильно нагревается. Для получения необходимой интенсивности охлаждения используется воздушно-жидкостный теплообменник. Этот теплообменник эффективно охлаждает наддувочный воздух, не занимая много места.
Промежуточный теплообменник наддувочного воздуха
Двигатель N57TU Super «дышит» с помощью ступенчатого турбонаддува. Так, в режиме наддува наддувочный воздух уже нагревается компрессором низкого давления. Затем этот предварительно сжатый наддувочный воздух сжимается в ступени высокого давления до необходимого давления наддува и за счет сжатия нагревается еще сильнее. Чтобы наддувочный воздух, получаемый в конце наддува, не был слишком сильно нагрет, он дополнительно охлаждается в промежуточном воздушно-жидкостном теплообменнике перед ступенью высокого давления. Это позволяет получать высокое давление наддува при приемлемой температуре наддувочного воздуха.
Перепускной клапан ступени низкого давления
Перепускной клапан ступени низкого давления позволяет быстро наращивать давление наддува, начиная с холостого хода. Благодаря перепускному клапану ступени низкого давления путь всасывания значительно сокращается и динамика создания давления наддува улучшается. Управление перепускным клапаном ступени низкого давления осуществляется с помощью мембранного механизма вакуумного регулятора. Электромагнитный переключающий клапан подает разрежение на мембранный механизм вакуумного регулятора и открывает заслонку. Перепускной клапан ступени низкого давления в исходном положении закрыт (при отсутствии разрежения).
Заслонка рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2
При необходимости перейти из рабочего состояния с двумя ступенями высокого давления в рабочее состояние с наддувом с помощью одной ступени высокого давления ступень высокого давления 2 работает с еще более высокой частотой вращения. При выключении ступени высокого давления 2 наблюдалось бы повышение давления воздуха за ступенью высокого давления 2. Через заслонку рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2 воздух может направляться после компрессора снова на его вход: так получается замкнутый контур и турбина не тормозится. Активизация осуществляется блоком DDE с помощью электромагнитного переключающего клапана, через который на мембранный механизм вакуумного регулятора подается разрежение, и заслонка рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2 открывается. Заслонка рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2 в исходном положении закрыта (при отсутствии разрежения).
Заслонка подключения компрессора ступени высокого давления 2
С помощью заслонки подключения компрессора ступени высокого давления 2 закрывается канал к теплообменнику наддувочного воздуха. Это необходимо, т. к. в противном случае в режиме работы только со ступенью высокого давления 1 сжатый воздух мог бы через ступень высокого давления 2 снова вернуться в зону всасывания ступени 1. Заслонка подключения компрессора ступени высокого давления 2 в исходном положении закрыта (при отсутствии разрежения).
Клапан регулировки турбины ступени высокого давления 2
Клапан регулировки турбины ступени высокого давления 2 открывает канал со стороны ОГ к ступени высокого давления 2 и уменьшает поток ОГ к ступени высокого давления 1. Он приводится в движение пневматически с помощью мембранного механизма вакуумного регулятора и может быть закрыт или открыт. Электромагнитный переключающий клапан подает разрежение на мембранный механизм вакуумного регулятора, закрывая его. С помощью клапана регулировки турбины ступени высокого давления 2 ступень высокого давления 2 подключается или отключается. Клапан регулировки турбины ступени высокого давления 2 в исходном положении открыт (при отсутствии разрежения).
Перепускной клапан
Перепускной клапан в районе перехода постепенно открывается для того, чтобы предотвратить слишком высокое давление наддува и давление в турбине. Через перепускной клапан часть ОГ проходит мимо турбины ступени низкого давления. Перепускной клапан приводится в движение пневматически с помощью мембранного механизма вакуумного регулятора, и его положение может меняться. Активизация осуществляется с помощью электропневматического преобразователя давления. Перепускной клапан в исходном положении закрыт (при отсутствии разрежения).
Регулятор давления наддува ступени высокого давления 1
Регулятор давления наддува позволяет регулировать давление по потребности благодаря изменяемой геометрии турбины ступени высокого давления. Турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины начинает работать уже на малых оборотах двигателя и оптимально подстраивается под поток отработавших газов путем изменения положения направляющих лопаток турбины.
Регулятор давления наддува ступени высокого давления 2
Регулятор давления наддува позволяет регулировать давление по потребности благодаря изменяемой геометрии турбины ступени высокого давления. Турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины начинает работать уже при малых потоках ОГ и оптимально подстраивается под поток отработавших газов путем изменения положения направляющих лопаток турбины. Ступень высокого давления 2 активизируется только начиная с частоты вращения коленвала
двигателя ок. 2700 об/мин.
Моменты переключения
Для оптимального наддува во всем рабочем диапазоне двигателя управление узлами осуществляет цифровая электронная система управления дизельным двигателем. Моменты переключения содержатся в поле характеристик, в основу которого заложены частота вращения коленвала и нагрузка двигателя. Переход между моментами переключения плавный. Кроме того, гистерезис предотвращает постоянное пороговое переключение. Изображения (сильно упрощенные) показывают различные положения переключения ступенчатого турбонаддува при полной нагрузке.
Схематическое изображение
На следующих рисунках рассматриваются моменты переключения двигателя N57TU Super.
Рабочие диапазоны
На следующем рисунке показаны рабочие диапазоны при полной нагрузке в виде зависимости эффективного среднего давления в цилиндре (P) от частоты вращения коленвала двигателя (n).
Детали | Диапазон 1 | Диапазон 2 | Диапазон 3 | Диапазон 4 | Диапазон 5 |
Перепускной клапан ступени низкого давления | o (при работающем двигателе) | + | + | + | + |
Заслонка рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2 | o | o | o | + | + |
Заслонка нагнетателя ступени высокого давления 2 | + | + | + | o | o |
Клапан регулировки турбины | + | + | + | o | o |
Перепускной клапан | + | + | * | + | * |
Регулятор давления наддува ступени высокого давления 1 | * | * | * | * | * |
Регулятор давления наддува ступени высокого давления 2 | + | + | + | * | * |
o - открыт(-а); + - закрыт(-а); * - регулируется
Рабочий диапазон 1
Рабочий диапазон 1 включает трогание с места и разгон, начиная с низких частот вращения коленвала двигателя.
Частота вращения прим. до 1700 об/мин.
- Положение заслонок и VNT
- Перепускной клапан ступени низкого давления при высоком запросе мощности кратковременно открывается, а при низкой нагрузке закрывается
- Заслонка рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2 открыта
- Заслонка нагнетателя ступени высокого давления 2 закрыта
- Клапан регулировки турбины ступени высокого давления 2 закрыт
- Перепускной клапан закрыт
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 1 регулируется и направляющие лопатки турбины открыты прим. на 25 %
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 2 закрыт
- Описание процесса наддува
- Поток отработавших газов направляется через турбинные колеса обеих турбин. При низкой частоте вращения наддув осуществляется, прежде всего, ступенью высокого давления 1. С увеличением массопотока отработавших газов регулятор давления наддува открывает проходное сечение для того, чтобы турбина работала в оптимальном диапазоне. Турбонагнетатель низкого давления при высоком запросе мощности обходится до тех пор, пока соотношение давлений может быть получено без него. При этом разрежение в зоне всасывания турбонагнетателя высокого давления уменьшается и давление наддува создается быстрее. Благодаря обходу ступени низкого давления можно достичь лучшего разгона с места
- Режим работы турбонагнетателей
- Ступень высокого давления спонтанно ускоряет в своем оптимальном диапазоне. Ступень низкого давления начинает свою работу.
Рабочий диапазон 1
Частота вращения прим. до 1700 об/мин.
- Положение заслонок и VNT
- Перепускной клапан ступени низкого давления при высоком запросе мощности кратковременно открывается, а при низкой нагрузке закрывается
- Заслонка рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2 открыта
- Заслонка нагнетателя ступени высокого давления 2 закрыта
- Клапан регулировки турбины ступени высокого давления 2 закрыт
- Перепускной клапан закрыт
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 1 регулируется и направляющие лопатки турбины открыты прим. на 25 %
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 2 закрыт
- Описание процесса наддува
- Поток отработавших газов направляется через турбинные колеса обеих турбин. При низкой частоте вращения наддув осуществляется, прежде всего, ступенью высокого давления 1. С увеличением массопотока отработавших газов регулятор давления наддува открывает проходное сечение для того, чтобы турбина работала в оптимальном диапазоне. Турбонагнетатель низкого давления при высоком запросе мощности обходится до тех пор, пока соотношение давлений может быть получено без него. При этом разрежение в зоне всасывания турбонагнетателя высокого давления уменьшается и давление наддува создается быстрее. Благодаря обходу ступени низкого давления можно достичь лучшего разгона с места
- Режим работы турбонагнетателей
- Ступень высокого давления спонтанно ускоряет в своем оптимальном диапазоне. Ступень низкого давления начинает свою работу
Рабочий диапазон 2
Частота вращения холостого хода прим. до 2600 об/мин.
- Положение заслонок и VNT
- Перепускной клапан ступени низкого давления закрыт
- Заслонка рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2 открыта
- Заслонка нагнетателя ступени высокого давления 2 закрыта
- Клапан регулировки турбины ступени высокого давления 2 закрыт
- Перепускной клапан закрыт
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 1 регулируется и направляющие лопатки турбины открываются на 100 %
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 2 закрыт
- Описание процесса наддува
- Поток отработавших газов полностью проходит через ступень высокого давления 1 и через ступень низкого давления. Наружный воздух попадает через ступень низкого давления и ступень высокого давления 1 во впускной коллектор. В этом диапазоне ступень высокого давления достигает своей полной мощности и доходит до предела регулирования регулятора давления наддува
- Режим работы турбонагнетателей
- Ступень высокого давления 1 с увеличением частоты вращения достигает своей максимальной мощности, направляющие лопатки турбины при этом открываются. Ступень низкого давления работает в этом диапазоне со средней мощностью.
Рабочий диапазон 3
Частота вращения прим. 2200–2600 об/мин.
- Положение заслонок и VNT
- Перепускной клапан ступени низкого давления закрыт
- Заслонка рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2 открыта
- Заслонка нагнетателя ступени высокого давления 2 закрыта
- Клапан регулировки турбины ступени высокого давления 2 закрыт
- Перепускной клапан начинает регулироваться
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 1 регулируется и направляющие лопатки турбины открыты на 100 %
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 2 закрыт
- Описание процесса наддува
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 1 открывает проходное сечение до максимального значения. При достижении максимального значения давление наддува больше не может удерживаться, иначе оно превысило бы допустимое значение. Начинается регулирование перепускного клапана для ограничения давления наддува в ступени низкого давления
- Режим работы турбонагнетателей
- Ступень высокого давления 1 подходит к своему пределу регулирования. Перепускной клапан ступени низкого давления ограничивает предварительно сжимаемую на участке ступени высокого давления 1 воздушную массу и, тем самым, давление наддува
Рабочий диапазон 4
Частота вращения прим. с 2600 об/мин.
- Положение заслонок и VNT
- Перепускной клапан ступени низкого давления закрыт
- Заслонка рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2 закрыта
- Заслонка нагнетателя ступени высокого давления 2 открыта
- Клапан регулировки турбины ступени высокого давления 2 открыт
- Перепускной клапан закрыт
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 1 регулируется
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 2 регулируется
- Описание процесса наддува
- Ступень низкого давления предварительно сжимает наддувочный воздух и подает его в обе ступени высокого давления. Обе ступени высокого давления повышают давление наддува и подают наддувочный воздух через теплообменник наддувочного воздуха во впускной коллектор и в камеру сгорания. Таким образом, наддувочный воздух поступает в двигатель от ступени низкого давления и от обеих ступеней высокого давления
- Режим работы турбонагнетателей
- Ступень высокого давления 1 доходит до предела регулирования и регулировка давления наддува осуществляется с помощью ступени низкого давления и перепускного клапана. Теперь подключается клапан регулировки турбины ступени высокого давления 2 и начинает работать ступень высокого давления 2. Перепускной клапан закрывается вместе с клапаном регулировки турбины ступени высокого давления 2, и давление наддува регулируется с помощью обеих ступеней высокого давления. Обе ступени высокого давления ограничивают максимальное давление наддува и обеспечивают двигатель наддувочным воздухом до достижения максимальной частоты вращения коленвала двигателя. Ступень низкого давления достигает своей максимальной производительности
Рабочий диапазон 5
Частота вращения прим. с 4000 об/мин.
- Положение заслонок и VNT
- Перепускной клапан ступени низкого давления закрыт
- Заслонка рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2 закрыта
- Заслонка нагнетателя ступени высокого давления 2 открыта
- Клапан регулировки турбины ступени высокого давления 2 открыт
- Перепускной клапан регулируется
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 1 регулируется
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 2 регулируется
- Описание процесса наддува
- Ступень низкого давления предварительно сжимает наддувочный воздух и подает его в обе ступени высокого давления. Обе ступени высокого давления повышают давление наддува и подают наддувочный воздух через теплообменник наддувочного воздуха во впускной коллектор и в камеру сгорания. Таким образом, наддувочный воздух поступает в двигатель от ступени низкого давления и от обеих ступеней высокого давления
- Режим работы турбонагнетателей
- С увеличением частоты вращения коленвала двигателя ступень низкого давления подает все больше наддувочного воздуха и под все более высоким давлением наддува. Давление наддува в обеих ступенях высокого давления ограничивается максимальным значением. Чтобы иметь возможность ограничения давления наддува активизируются регуляторы давления наддува и увеличивается поперечное сечение направляющих лопаток турбинного колеса. Т. к. это изменение положения направляющих лопаток турбинного колеса здесь достигает упора и дальнейшее уменьшение давления наддува невозможно, также активизируется перепускной клапан ступени низкого давления и, таким образом, осуществляется регулирование давления наддува
Аварийный режим
В случае отказа вакуумной системы группа наддува приводится за счет силы сжатия пружины в следующее положение аварийного режима:
- Перепускной клапан ступени низкого давления закрыт
- Заслонка рециркуляции воздуха ступени высокого давления 2 закрыта
- Заслонка нагнетателя ступени высокого давления 2 закрыта
- Клапан регулировки турбины ступени высокого давления 2 открыт
- Перепускной клапан закрыт
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 1 регулируется
- Регулятор давления наддува ступени высокого давления 2 регулируется
Это соответствует положению для среднего диапазона частоты вращения (от 1500 до 3000 об/мин), т. е. диапазону, в котором дизельный двигатель работает при нормальном режиме движения. И хотя это противоречит стратегии BMW – обеспечивать в аварийном режиме условия для максимальной мощности – однако, является более целесообразным, т. к. автомобиль лучше сохраняет свои ходовые качества. При больших частотах вращения коленвала двигателя и уровнях нагрузки в случае отказа вакуумной системы давление наддува ступени высокого давления 2 оказывает воздействие на байпасную заслонку нагнетателя в направлении потока. Непосредственное повреждение узла невозможно. Защита от повреждений из-за закрытого перепускного клапана заключается в том, что электронная система управления двигателем контролирует давление наддува и в случае слишком высокого давления снижает мощность двигателя до некритической величины
Накопительный катализатор NOx
На M550d xDrive используется накопительный катализатор NOx . Накопительный катализатор NOx устанавливается перед сажевым фильтром.
Сажевый фильтр
На M550d xDrive используется известный сажевый фильтр. Сажевый фильтр располагается непосредственно после ступени низкого давления.
Блокирующий нейтрализатор HS
На M550d xDrive используется блокирующий нейтрализатор HS. Блокирующий нейтрализатор HS устанавливается после сажевого фильтра.
Вакуумная система
Вакуумная система двигателя N57TU Super имеет очень сложную конструкцию. Так, для управления турбонаддувом отработавших газов, в общей сложности, используется пять узлов с вакуумным управлением. Кроме того, для системы рециркуляции отработавших газов и управления переключаемыми подушками крепления двигателя необходимы дополнительные узлы. Вакуумная система двигателя N57TU Super предъявляет новые требования к прокладке и контактам. На следующих рисунках дается обзор, как и через какие узлы должны быть связаны между собой вакуумные трубопроводы.
Для наглядности вакуумные трубопроводы показаны различными цветами. Все показанные на следующем рисунке трубопроводы в реальности черного цвета.
На следующем рисунке показана фотография, которая дает реальную картину прокладки вакуумных трубопроводов.
Система подготовки рабочей смеси
Система подготовки рабочей смеси переработана и адаптирована к требованиям двигателя N57TU Super. Давление впрыска топлива увеличено до 2200 бар, чтобы обеспечивать достаточное количество топлива и его распыление при полной нагрузке и повышенной максимальной частоте вращения коленвала двигателя.
Существенные изменения претерпели:
- магистраль высокого давления Rail
- насос высокого давления
- форсунки
Магистраль высокого давления Rail
Магистраль Rail адаптирована под более высокое давление и изготавливается методом горячей ковки. Обозначение фирмы Bosch HFR-22; это аббревиатура «Hot Forged Rail», а 22 – давление 2200 бар. Наряду с магистралью Rail также были адаптированы под высокое давление до 2200 бар датчик давления в магистрали Rail и клапан регулировки давления в магистрали Rail.
Насос высокого давления
Насос высокого давления также адаптирован под высокое давление. Обозначение фирмы Bosch CP4-22/2; это «Common Rail Pump», 22 – максимальное рабочее давление 2200 бар, а последняя цифра 2 – количество плунжеров насоса.
Форсунка
Используются форсунки фирмы Bosch CRI3–22. Форсунка рассчитана на необходимое давление и количество впрыскиваемого топлива. Обозначение CRI3–22; это «Common Rail Injektor», третье поколение с давлением впрыска топлива 2200 бар. Максимальное давление впрыска топлива доходит до 2200 бар и это явилось причиной использования новых форсунок.
Для продолжительной надежной работы форсунок была оптимизирована конструкция и уменьшена нагрузка на седло клапана с помощью сбалансированного по давлению переключающего клапана. Однако, вследствие адаптаций переключающего клапана форсунка имеет постоянную течь, которая ведет к повышенному количеству топлива в трубопроводе для слива просачивающегося топлива. Т. к .пьезофорсунки работают только в определенном диапазоне отрицательного напора, в трубопровод для слива просачивающегося топлива был интегрирован клапан фиксации давления, который удерживает давление возврата топлива в диапазоне 9–11 бар. До сих пор вместо клапана фиксации давления в возвратный трубопровод устанавливался дроссель, который реализовал необходимое давление возврата топлива.
Также переработана геометрия сопла для выполнения повышенных требований законодательства к вредным выбросам. Эта адаптация всегда имеет место вместе с камерой сгорания в поршне.
Коррекция количества топлива, впрыскиваемого форсунками
Коррекция количества топлива, впрыскиваемого форсунками, проводится в известной форме и поясняется здесь на примере форсунок CRI2.5. Вследствие допуска при изготовлении форсунок фактически впрыскиваемое количество топлива немного отличается от расчетного. Это отклонение измеряется для каждой форсунки в нескольких рабочих точках. На основании измерений для каждой форсунки определяется значение коррекции (в виде кода). При сборке автомобиля после установки цифровой электронной системы управления дизельным двигателем значение коррекции каждой форсунки записывается в блок управления. Значения коррекции закрепляются за отдельными цилиндрами согласно установленным форсункам. С помощью этих значений цифровая электронная система управления дизельным двигателем корректирует рассчитанное количество впрыскиваемого топлива и, таким образом, уменьшает отклонение в каждом цилиндре.
При замене форсунок необходимо убедиться, что выштампованный буквенно-цифровой код каждой форсунки записан в блоке управления дизельным двигателем для соответствующего цилиндра.
Система возврата топлива
Вследствие адаптации топливной системы высокого давления потребовались изменения и в системе возврата топлива. На следующем рисунке дан обзор наиболее важных изменений.
Электрооборудование двигателя
Электрооборудование двигателя было незначительно переработано. Частично используются новые датчики и исполнительные органы, однако их функция и принцип работы соответствуют двигателю N57TU Top. В обзоре системы показана комплектация системы, выполняющей требования EURO 5. DDE7.31 берет на себя активизацию и анализ датчиков и исполнительных органов.
ЭБУ системы предпускового подогрева
ЭБУ системы предпускового подогрева из соображений экономии места закреплен на блок-картере и расположен рядом с насосом высокого давления.
При замене ЭБУ системы предпускового подогрева или свечей накаливания необходимо выполнить распознавание свечей накаливания.
Новые датчики и исполнительные органы
Свеча накаливания
Сервисная функция предлагает две функции, которые необходимы при ремонте системы предпускового подогрева:
- Перед заменой свечей накаливания нужно с помощью сервисной функции активизировать набор данных безопасности.
Это необходимо для того, чтобы ЭБУ системы предпускового подогрева при переключении контактов активизировал новые свечи накаливания с помощью набора данных безопасности. - После замены свечей накаливания или ЭБУ системы предпускового подогрева необходимо с помощью сервисной функции выполнить распознавание свечей накаливания.
Сервисная функция активизирует в ЭБУ системы предпускового подогрева соответствующий набор данных для установленных свечей накаливания. При невыполнении распознавания свечей накаливания может остаться активным неверный набор данных. Это может привести к функциональным ограничениям при накаливании или к повреждениям свечей накаливания.
При этом проверяется следующее:- ЭБУ системы предпускового подогрева распознает все свечи накаливания?
- Установлены соответствующие свечи накаливания?
- В ЭБУ системы предпускового подогрева активизирован правильный набор данных?
Обоснование
Для двигателей N47TU и N57TU используются различные типы свечей накаливания в зависимости от класса мощности.
Двигатели N57D30T1 и N57D30S1 оснащаются керамическими свечами накаливания Bosch GLP5.
Чтобы различные типы свечей накаливания активизировались напряжением с соответствующей характеристикой, имеются различные наборы данных для ЭБУ системы предпускового подогрева. Дополнительно к наборам данных для правильного режима свечей накаливания в ЭБУ системы предпускового подогрева также имеется, так называемый, набор данных безопасности. Набор данных безопасности выполнен таким образом, чтобы в случае неисправности или неправильной установки все типы свечей накаливания могли быть запитаны без опасности повреждения. Две процедуры распознавания типа свечи накаливания в ЭБУ системы предпускового подогрева:
- При каждом полном цикле подогрева после переключения контактов автоматически запускается распознавание. ЭБУ системы предпускового подогрева различает лишь металлические и керамические свечи накаливания. Если ЭБУ системы предпускового подогрева определяет слишком большие колебания напряжения или активизируется сигнал запуска стартера, то распознавание прерывается. При распознавании неверного типа более, чем у одной свечи накаливания, ЭБУ системы предпускового подогрева активизирует набор данных безопасности. Если распознан неверный тип только одной свечи накаливания, ЭБУ системы предпускового подогрева исключает эту свечу накаливания из последующих процессов накаливания во время текущего цикла движения и не активизирует набор данных безопасности.
- С помощью сервисной функции можно запустить специальную проверку системы накаливания. В случае неоднозначного распознавания всех свечей накаливания всегда активизируется набор данных безопасности.